“老朋友”石墨烯近況如何？

呂默默

“哇，真漂亮！我得拍照發(fā)個朋友圈?！碑?dāng)我們看到新奇事物或者美麗風(fēng)景，總希望和朋友一起分享，但恰好遇到手機(jī)電量不足，該怎么辦呢？帶上充電寶？不夠方便。換大容量電池？現(xiàn)今的手機(jī)大多不支持自行更換電池。這時(shí)碳家族的“學(xué)霸”石墨烯閃亮登場了！對于石墨烯，雖是新材料，卻早已不陌生。那么你了解過這位“老朋友？的近況嗎？

“全能學(xué)霸”石墨烯

石墨烯源于碳家族，這個家族分為兩種，一種是碳的化合物，一種是碳單質(zhì)。純凈的碳單質(zhì)有金剛石、富勒烯和石墨。而石墨烯是從石墨中剝離而來，是只有一層原子厚度的二維晶體，非常輕薄。舉個例子，20萬片石墨烯薄膜的厚度加起來也只有一根頭發(fā)粗細(xì)。

石墨烯憑借什么成為“學(xué)霸”？我們來做個比較，首先論強(qiáng)度。石墨烯是人類已知機(jī)械強(qiáng)度最高的材料，比鋼鐵還高200多倍。其次是熱力學(xué)性質(zhì)，也就是導(dǎo)熱，是目前已知導(dǎo)熱率最高材料的2.5倍。電子遷移率約為硅中電子遷移率的140倍，溫度穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。一門成績好也就罷了，石墨烯則是門門功課成績領(lǐng)先！在各種特性上直接碾壓了其他材料，不得不說是個“全能學(xué)霸”！

充電1分鐘，通話20小時(shí)

大家肯定聽過這樣一句廣告詞“充電5分鐘，通話2小時(shí)”。如此的充電效率和速率在以往是不能想象的，但與石墨烯復(fù)合材料電池相比，這只能算“小菜一碟”。石墨烯復(fù)合材料電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速、大量穿梭運(yùn)動的特性制成。這種電池可以在不到1分鐘內(nèi)充滿，滿電狀態(tài)通話時(shí)長至少10小時(shí)以上，理論上在20小時(shí)左右。手機(jī)廣告中所說的2小時(shí)又算什么呢（7所以這樣的石墨烯電池是不是手機(jī)電池中的“學(xué)霸”呢？

近日，中國航發(fā)北京航空材料研究院石墨烯及應(yīng)用研究中心燕紹九博士披露，新型石墨烯鋰離子電池研制成功，充電時(shí)間僅僅為普通電池的十分之一，壽命更長，電量更足。相信不遠(yuǎn)的將來，石墨烯手機(jī)電池終將走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

將屏幕植入皮膚

石墨烯有著極薄的構(gòu)造（只有一層原子構(gòu)造）和非常好的透光性，所以非常適合用來制造柔性屏幕。如今我們使用的手機(jī)、平板電腦的屏幕，都非常脆弱，并且不能折疊，柔性屏幕則方便很多。也許以后我們只帶一部手機(jī)就可以滿足大屏的需求，因?yàn)槭謾C(jī)屏幕可以折疊，展開就是大尺寸的電腦屏幕了，這也是石墨烯未來的發(fā)展方向之一。這樣還不夠方便？科學(xué)家利用石墨烯柔性觸摸屏輕薄、透光性好的特性，還設(shè)計(jì)出了可以植入皮膚表面的屏幕。想象一下，當(dāng)我們抬起胳膊，就可以在手臂上收發(fā)微信消息，可以看視頻，甚至還可以打游戲，這都和“學(xué)霸”石墨烯分不開。

讓電動公交車升級

現(xiàn)今最環(huán)保、最拉風(fēng)的汽車是什么？當(dāng)然是不燒油、不燒氣的電動汽車了。目前許多城市的公交車都是電動汽車。但制約電動汽車發(fā)展最大的瓶頸是電池或者稱為電容器。與我們平時(shí)用的手機(jī)電池不一樣，石墨烯復(fù)合材料超級電容器擁有更大的儲電容量和更快的充電時(shí)間。有多快呢？西班牙某研究組織初步設(shè)計(jì)出了一款超級電容器，可以在8分鐘內(nèi)充滿電。古代形容千里馬可以日行千里，這里用了夸張的修辭方法不說，馬兒還需要休息，就是吃頓草料也不止8分鐘吧。

指甲蓋上的電腦

我們平時(shí)使用的手機(jī)、平板和電腦的核心部件中央處理器（俗稱CPU）屬于半導(dǎo)體材料，以硅為基礎(chǔ)材料的晶體管就是CPU的主要組成部分。通常我們看到CPU上寫著“某某納米技術(shù)”，是指CPU上晶體管柵極的寬度，也稱為柵長。柵長越短，則在相同尺寸的材料上可以集成更多的晶體管。硅材料的加工極限被認(rèn)為是10納米左右，小于這個數(shù)值后就不好控制良品率，相對于這一點(diǎn)，石墨烯晶體管可以做到5納米以下。

英國科學(xué)家以石墨烯作為新型半導(dǎo)體材料，開發(fā)出世界上最小的晶體管，僅僅1個原子厚、10個原子寬。在相同體積下以石墨烯為材料的處理器可以容納更多的結(jié)構(gòu)，從而擁有更快的速度和更強(qiáng)大的計(jì)算能力。石墨烯晶體管如此逆天的學(xué)霸屬性，使得CPU的微小化有可能成為現(xiàn)實(shí)，能想象一個U盤大小的電腦主機(jī)嗎？加上石墨烯良好的熱傳導(dǎo)性，最后還解決了散熱問題。以后，指甲蓋大小的電腦主機(jī)，甚至更微小的可穿戴設(shè)備都將成為現(xiàn)實(shí)！

別以為就這樣結(jié)束了，“學(xué)霸”還有其他能力呢。以石墨烯為基礎(chǔ)材料或者復(fù)合材料，加之納米技術(shù)的應(yīng)用，“學(xué)霸”在大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)、人工腎臟、海水淡化、高效催化體系等方面均有著不可估量的美好前景，甚至有科學(xué)家聲稱石墨烯會引發(fā)下一次材料革命。

“學(xué)霸”也有弱點(diǎn)

然而，你可能不知道，“學(xué)霸”石墨烯也不是完美的，也有不少缺點(diǎn)。

首先是石墨烯的產(chǎn)能。其實(shí)，石墨烯生產(chǎn)起來并不困難。最簡單的方法你我都可以做到，用兩片透明膠帶加上高純度的石墨，一張一合，就能得到不同層數(shù)的石墨了。但石墨烯只有一個原子厚度，所以我們還需要再粘，一直得到一個原子厚的石墨烯。

如此操作，效率低下不說，還需要運(yùn)氣。大家能想象一個工廠里大部分工人低頭玩膠帶粘石墨的情形嗎？所以單層的石墨烯生產(chǎn)并沒有大型產(chǎn)業(yè)化。

第二個缺點(diǎn)則是這位“學(xué)霸”的各部分屬性只是在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，走向大眾化還需要一段時(shí)間。就像在學(xué)校樣樣拔尖的“學(xué)霸”，一旦離開學(xué)校走上社會，究竟發(fā)展如何還有待驗(yàn)證?，F(xiàn)在就是“學(xué)霸”石墨烯即將離校的時(shí)代，要想在工作中大顯身手，還需要一些時(shí)日。

科技使人們的生活更便利，無論如何石墨烯的出現(xiàn)也逐漸改變著我們的日常生活，將來在手機(jī)、汽車、清潔能源、房屋建筑等領(lǐng)域，我們都期待看到這位“學(xué)霸”的身影。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對：曹偉）